公元一二一七年八月，木华黎率领大蒙古国第四路军十万余人马，向忻州开进。
中都距忻州一千余里，木华黎大军行军十余日后，来到忻州，于石抹明安所部合军一处，兵马增至将近二十万。在等木华黎大军到来之前，石抹明安还命人打造了上百辆重兵器车。
木华黎大军在忻州休整五日后，继续南下向太原府开进。
而此时的郭文振也聚兵愈十万之众，并也打造了大量重兵器车，修缮了防御工事。
不过郭文振不愿被围而战，而是主动出击，他亲率七万人马和一百辆重兵器车布防于汾河南岸，摧毁所有桥梁，严阵以待木华黎大军到来。
金军在汾河刚好完成布防，木华黎大军就开到汾河北岸。汾河水面并不宽，最宽处最多两里，最窄处仅有半里。
木华黎一边指挥大军使用重兵器车攻击汾河对面的金军，一边让石抹明安带人沿汾河岸边收集船支。
木华黎大军不断使用重兵器车放长箭、抛石块攻击金军，郭文振也指挥金军使用重兵器车反击，双方均有伤亡。
三日后，石抹明安已经收集船支百余艘。木华黎即命令全军在重兵器车的掩护下，强行渡河。
此时汾河南岸，七万金军已被木华黎大军的重兵器车攻击的不敢靠近岸边，乘坐船支的蒙军纷纷上岸，向金军发起进攻。郭文振见蒙军步兵上岸，便指挥金军冲上去阻击。但随着上岸的蒙军越来越多，金军渐渐处于下风。
战斗持续三天三夜，二十万蒙军全部上岸，不断向金军发起进攻。金军抵挡不住，只得纷纷后撤。
太原府城墙有南北两门，北门守城将士看到郭文振率军回撤，赶紧打开城门，放郭文振等人入城。过了一会儿，蒙军也杀到城下。守城将士还没有等到金军全部撤回城里，就赶紧关闭城门，没有入城的金军只得向南逃窜。
郭文振逃回城内，经清点人数，只有不到五万人马逃回城内，有两万余人战死或者向南逃去。
此时木华黎率领将近二十万蒙军追至太原府北门城下，又开始使用重兵器车攻城。郭文振也率领八万金军进行了顽强的抵抗。
在外征战一年有余的的木华黎大军此时也是十分疲惫。木华黎命令大军将太原府城团团包围，一边继续攻城，一边进行休整。
木华黎又派出一支三万人马的偏师，先后夺取太原府周围的交城、寿阳、榆次、文水、祁县、太谷、盂县等城池。
在木华黎大军到来之前，郭文振已经上表给金国朝廷，请求增兵太原。
为了增援太原，完颜珣下旨，命令平阳知府胡天作、隆德知府完颜开分别率领所部三万人马，从平阳和隆德北上，互为犄角，共解太原之围。
胡天作，金国西京路管州人。自幼习武，青年时期即加入金军，以乡兵身份守御管州，后因累功升任少中大夫、管州刺史等职。蒙古大军入侵山西后，金国朝廷封其为“平阳公”、平阳知府，命其镇守山西西南各地。
胡天作率领三万人马从平阳府出发，进入太原境内，攻打木华黎大军占领的县城，因为这些城池在木华黎大军打下来后，并没有派兵驻守。胡天作所部很快就收复了太原以西各个县城，然后驻扎于太原以西二百里处的交城休整。
木华黎久攻太原不下，为引郭文振出击，佯装一副要撤军的模样。郭文振误听哨探之言，做出了木华黎将要全线撤军的误判，便催促胡天作所部前来太原汇合，一起进攻木华黎大军。
于是胡天作让全军留下辎重粮草，轻装出发，向太原开进。当行至太原西南方向三十里处时，就被蒙古哨探发现，并快马禀报给木华黎。木华黎命令吾也而、不花所部共两万骑兵，兵分两路分别向胡天作所部发起进攻。
胡天作所部行至太原西南方向十里余处时，就遭到吾也而、不花两支骑兵万人队的合围。胡天作所部三万人马主要以步兵为主，只有少量骑兵，被蒙古骑兵袭击，只得仓促迎战。
吾也儿、不花的两支骑兵万人队，虽不是纯正的蒙古骑兵队伍，但是却是从其他各族挑选出来的优秀士兵编组而成。其战斗力和女真骑兵旗鼓相当，更是远胜金军步兵。
两万蒙古骑兵和三万金军步兵一交战，金军很快败下阵来，胡天作只好率部撤退，蒙古骑兵一路追杀百余里，金军死伤无数，胡天作只带千余骑兵回到平阳府。
与此同时，完颜开所部也到达距离太原以东一百里处的晋中县。完颜开所部原本只有两万人马，但完颜珣诏命其须带三万人马救援太原。完颜开只得从预备军中又征兵一万，然后率军北上。
完颜开，本名张开，金国中都路景州汉族人。自幼习武，成年以后加入绿林。蒙古大军攻掠河北时，完颜开结集地方武装固守景州，后又领兵收复清州，被金国朝廷封为潞州招抚使。完颜开在与蒙军的战斗中多次杀敌立功，并向完颜珣上表以示忠心，被完颜珣恩赐完颜姓氏。当蒙古大军入侵山西时，又被完颜珣封为上党公、隆德知府，领泽、潞、沁三州。
完颜开所部北上时，陆续遇到小股蒙军袭扰，都被完颜开所部杀散。完颜开所部很快攻入太谷县。
接连不断的胜利使这员久经沙场的老将犯了麻痹大意、疏于戒备的兵家大忌。而此时木华黎让石抹明安继续围攻太原，自己亲率十万步兵准备进攻完颜开所部。
当完颜开接到哨探禀报太原方向有蒙军袭来的消息后，还误以为是蒙军的零散部队，也没多大在意，岂料前来阻击却是的木华黎大军主力。
完颜开所部仓猝应战，遭到木华黎大军围攻，完颜开所部几乎全军溃散，身边仅剩几百余骑兵的完颜开只得逃回隆德府。
击溃完颜开所部后，木华黎大军主力从容回师，继续围攻太原府。
太原军民被蒙古大军前后围困了三个月，城内存粮基本耗尽，士兵只得宰杀战马以充饥，而百姓则只能用糠草来果腹。尽管如此，郭文振和太原军民依然众志成城，拒绝了木华黎的多次劝降，而决心与木华黎大军拼死一战。
蒙古大军在攻打朔州、忻州等地时，缴获数百斤火药。木华黎见太原府城墙高大稳固，守城将士修缮的防御工事又牢不可破，于是命工匠队将收缴的火药制造成上千枚火炮。
在对太原军民最后一次劝降失败后，木华黎命令士兵通过抛石车将这些火炮抛入城内，城内很多防御工事被击中摧毁，很多金军被炸死炸伤。木华黎又命令步兵使用攻城云梯攻城，金军纷纷溃败。蒙军陆续攻入城内。
尽管大势已去，郭文振依然率领饥饿疲惫的金军坚持战斗。此时吾也而、不花率领的两万骑兵又返回太原城下，攻入城内的蒙军步兵打开城门，迎蒙古骑兵入城。金军再也无法抵挡，郭文振只得指挥金军向南门方向突围出城。
蒙古骑兵从城北追至城南，郭文振率领残军已逃出城外，不知所踪。
至此木华黎大军完全占领太原府。
成吉思汗得知木华黎大军攻占太原府后，遂决定起全国之兵，一举灭掉金国。正在这时，留守主营地的也遂妃快马禀报成吉思汗，大蒙古国派往花剌子模的一支五百人商队，被花剌子模当作间谍杀死了。